三相四开关逆变器供电的永磁同步电动机脉冲序列预测控制.pdf

工矿自动化 In d u st ry an d Mi n e Au t o mat i o n 第45卷第5期 2019年5月 Vo l .45No .5 May 2019 扫码移动阅读 文章编号1671-251X201905-0079-06 DOI10. 11272/j . i ssn . 1671-251. 2019010019 三相四开关逆变器供电的永磁同步电动机 脉冲序列预测控制 张梅梅1,郝剑奇 1.宿迁经贸高等职业技术学校机电系，江苏宿迁223800 2.中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州221008 摘要针对单矢量预测控制方法存在控制自由度少、电流和转矩纹波大的问题，提出了一种三相四开关 逆变器供电的永磁同步电动机脉冲序列预测控制方法构造了两类包含I个电压空间矢量的对称型脉冲序 列，利用电流参考值跟踪成本函数来选取优化脉冲序列；给出了电流参考值跟踪目标下的占空比计算公式 并通过调节直流分量对占空比进行补偿，从而实现直流母线电容电压平衡。仿真结果表明，该方法能实现电 流参考值跟踪和母线电容电压平衡，有效减小了电流纹波和转矩脉动 关键词三相四开关逆变器；永磁同步电动机；脉冲序列预测控制；占空比；电容电压平衡；电流参考 跟踪 中图分类号TD614 文献标志码A Pu l se seq u en c e pred i c t i ve c o n t ro l o f perman en t mag n et syn c h ro n o u s mo t o r po wered by t h ree-ph ase f o u r-swi t c h i n vert er ZHANG Mei mei1, HAO Ji an q i2 1. Depart men t o f Mec h an i c al an d El ec t ri c al , Su q i an Hi g h er Vo c at i o n al an d Tec h n i c al Sc h o o l o f Ec o n o mi c s an d Trad e, Su q i an 223800, Ch i n a; 2. Sc h o o l o f El ec t ri c al an d Po wer En g i n eeri n g , Ch i n a Un i versi t y o f Mi n i n g an d Tec h n o l o g y , Xu zh o u 221008 , Ch i n a Abstract In vi ew o f pro bl ems o f l ess c o n t ro l d eg ree o f f reed o m an d l arg e ri ppl e o f c u rren t an d t o rq u e i n s1n g l evec t o rpred 1c t vec o n t ro l met h o d ,apu l seseq u en c epred 1c t 1vec o n t ro l met h o d o f perman en t mag n et syn c h ro n o u s mo t o r po wered by t h ree-ph ase f o u r-swi t c h i n vert er was pro po sed . Two ki n d s o f symmet ri c al pu l seseq u en c eswi t h t h reevo l t ag espac evec t o rsarec o n st ru c t ed ,an d t h eo pt i mal pu l seseq u en c ei ssel ec t ed by u si n g c o st f u n c t i o n o f c u rren t ref eren c e val u e t rac ki n g . Cal c u l at i o n f o rmu l a o f d u t y c yc l e u n d er c u rren t reTeren c e val u e t rac ki n g t arg et i s g i ven , an d t h e d u t y c yc l e i s c o mpen sat ed by ad j u st i n g DC c o mpo n en t t o ac h i eve DC bu s c apac i t o r vo l t ag e bal an c e. Th e si mu l at i o n resu l t s sh o w t h at t h e met h o d c an t rac k c u rren t reTeren c u ean d bal an c e bu sc apac i t o rvo l t ag e,wh i c h eTec t i vel y red u c es c u rren t ri ppl e an d t o rq u e ri ppl e. Key words t h ree-ph ase f o u r-swi t c h i n vert er; perman en t mag n et syn c h ro n o u s mo t o r; pu l se seq u en c e pred i c t i ve c o n t ro l; d u t y c yc l e; c apac i t o r vo l t ag e bal an c e; c u rren t ref eren c e val u e t rac ki n g 收稿日期收稿日期2019-01-07;修回日期修回日期2019-04-19;责任编辑盛男责任编辑盛男。 基金项目基金项目江苏省高等学校自然科学研究面上项目18KJB470009 作者简介张梅梅作者简介张梅梅“98I，女，女，江苏沐阳人，讲师，硕，硕士 主要研究方向为电工，E-mai lzh an g mei mei_1983 126. c o m。 引用格引用格式张梅梅,郝剑奇三相四幵关逆变器供电的永磁同步电动机脉冲序列预测控制工矿自动化2019,45579-84. ZHANG Mei mei, HAO Ji an q i . Pu l se seq u en c e pred i c t i ve c o n t ro l o f perman en t mag n et syn c h ro n o u s mo t o r po wered by t h ree-ph ase f o u r-swi t c h i n vert er,]. In d u st ry an d Mi n e Au t o mat i o n ,2019,455 79-84. ・80・工矿自动化2019年第45卷 0引言 永磁同步电动机Perman en t Mag n et Syn c h ro n o u s Mo t o r, PMSM具有结构简单、效率 高、功率因数高等优点，由两电平电压源型逆变 器「T供电的PMSM被广泛应用于矿用蓄电池电动 机车、新能源单轨吊、采煤机、刮板输送机、带式输送 机、提升机等矿山电力传动场合。三相四开关逆变 器「4勺作为两电平电压源型逆变器的一种容错拓扑 结构 平 压 型 变器单 率 器件故障情况下实现容错运行，有利于提高PMSM 运行可靠性，减小故障停机带来的经济损失。 预测控制作为一种根据系统离散数学模型预测 状态变量未来轨迹的控制方法「7「10-,在三相四开关 逆变器供电的PMSM驱动系统中具有广阔的应用 前景。单矢量预测控制通过计算各电压空间矢量对 应的电流参考值跟踪与电容电压平衡的成本函数, 选取使得成本函数最小的电压空间矢量作为优化输 出［11-13］。由于单个控制周期内只采用单个电压空 间矢量，控制自由度少，造成较大的电流和转矩纹 波，降低了 PMSM驱动系统运行性能。本文基于多 矢量预测控制「14「15-,提出了一种三相四开关逆变器 供电的PMSM脉冲序列预测控制方法，通过构造脉 冲序列的方式在单个控制周期内引入3个电压空间 矢量，可增加控制自由度，减小PMSM电流和转矩 纹波。 1三相四开三相四开关逆变器供电逆变器供电的PMSM驱动驱动系统模型统模型 两电平电压源型逆变器拓扑如图1a所示，其 中Vd c为直流母线电压，C为直流母线电容，Sju ,Sjd 分别为丿 a,b,c 相上下开关管，瓦为双向晶闸 管“为PMSM丿相电流，n为PMSM定子绕组中 性点。当两电平电压源型逆变器正常运行时，三相 双向晶闸管处于关断状态。当其中一相如a相出 现开路故障时，该相双向晶闸管闭合,将故障相连接 至直流母线电容中点，重构如图1b所示的三相四 变 器 拓 扑 PMSM 动 错 运行。 a两电平电压源型逆变器 b三相四开关逆变器 图1两电平电压源型逆变器及三相四开关逆变器拓扑 Fi g . 1 To po l o g i es o f t wo -l evel vo l t ag e-so u rc e i n vert er an d t h ree-ph ase f o u r-swi t c h i n vert er 图1b中Sju与Sjd b,c 开关状态互补，上 开关管Sju开通记作状态* 输出相电压为Vd，下 开关管Sj d开通记作状态*输出相电压为一Vc 2。 b,c相的开关状态组合可在两相静止坐标系下构成 4个电压空间矢量V1 匕，匕一X的位置与上下直 流母线电容电压匕2有关,如图2所示。以 ”21,0为例,其对应的b相开关状态为*c相开 关状态为“0定义处于轴上方的区域为Ei扇 区，处于轴下方的区域为E2扇区。 a VC1 VC2 亡1，0 ,人1 E\ 3hl \ 、邑 E 0 ‘ r4o ,i 图2 b Vc 1 g]V4 式中3 o p为优化脉冲序列类型，Fp 1时选取脉冲 序列1作为优化脉冲序列，Fp 2时选取脉冲序列 2作为优化脉冲序列；刃为电流参考值跟踪成本 数。 g1 Id “i . 11 lq. 1丨8 式中d，；分别为I ,[轴电流参考值i . 1, iq. 1分别为根据式4计算的I，轴电流预 。 2. 2占空比计算 脉冲序列预测控制的优化目标之一为电流参考 值的跟踪，其含义是在当前控制周期结束时使电流 达到其参考值。I轴电流参考值跟踪原理如图4所 示，其中H.为当前控制周期的I轴电流采样值, “i为I轴电流实际值。 以Fo p 1的情况为例，根据图4a,并结合 式 5 得 f I ..1I 2s tb .2I bt .Idtcid V - 0⑼ [i . .1q 2stb .2q t btc .3qtci 式中11 .3d和.1q .Iq分别为电压空间矢量V1 V|对应的I,[轴电流变化斜率iq.为当前控制周 期 q 样 。 ・82・工矿自动化2019年第45卷 b Fop 2 图4 〃轴电流参考值跟踪原理 Fi g . 4 Pri n c i pl e o f I-axi s c u rren t ref eren c e val u e t rac ki n g 由式9可得 hb 1111 861 /7111 bxC1 , / 10 [tc 7161 C111 / 71I1 biC1 式中 11 “ 一 “i 一 .11 2s ； I1 kl q .2q bl .3d .21 61 “ “ kk1gTs 71 .2I .11 1 .2q .1g。 同理，对于Fo p 2的情况b c可按式11 求取 tb i2d2 b2n2 / 72d2 b2c2 tc 26 C2l2 / 2d2 b2C2 式中 12 “ “d . .1dTs d2 .4g .1q b2 .4d .1d 72“ “g . .1qTs2 .|d .4d 72 .|q .4g。 计算得到的tbt需经过限幅环节将其限制在 [0,Ts ]范围内。因此，b,c相占空比QbQc为 ,Qb tb/Ts [Dc tc/Ts 12 2. 3 电容电压平衡 分别采用电压空间矢量匕，“3时对应的a相相 电压分别为2Vc 2/3,2Vc 1/3,因此在电压空间矢量 V1作用下能增大“，而在电压空间矢量V|作用下 能减小结合式2,可通过向Qb,Qc中叠加补 偿量I来调节V1,V|作用时间，从而实现电容电 压平衡。 - Qb d ,/ 13 [Dc Dc d 式中Db,D为补偿后的b,c相占空比。 当I/O时,V1作用时间增加,V|作用时间减 小,相当于向“中注入正的直流分量；当d0时, V1作用时间减小,V|作用时间增加,相当于向“中 注入负的直流分量。 电容电压平衡控制策略如图5所示。采用低通 滤波器Lo w Pass Fi l t er , LPF提取电容电压差值 Vc ,中的直流分量,并与参考值0作差后经过比例 积分Pro po rt i o n al In t eg ral , PI控制器得到补偿量 I ,通过调节向“中注入的直流分量实现上下直流 母线电容电压平衡。 图5电容电压平衡控制策略 Fi g .5 Capac i t o rvo l t ag ebal an c ec o n t ro l st rat eg y 3仿真分析仿真分析 为验证本文脉冲序列预测控制的有效性,在 Mat l ab/Si mu l i n k中搭建仿真模型，仿真参数控制 周期为100 0s ,逆变器直流母线电压为540 V ,上下 直流母线电容均为4. 2 mF；PMSM极对数为4 ,定 子电阻为0. 1 / , d, g轴电感分别为1,2 mH ,永磁 体转子磁链为0. 225 Wb ,给定转速为1 000 r/mi n； 仿真时间为2 s ,0〜1 s时负载转矩为50 N・m1 s 时负载转矩突变为80 N・mo仿真中转速环均采 用PI控制器。 采用单矢量预测控制的仿真结果如图6所示o 从图6a、图6b可看出,单矢量预测控制能实现 电流参考值跟踪，但d, g轴电流纹波较大；从 图6c 可看出，三相电流中含有较多谐波,经快速 傅里叶分析可得0. 98〜1. 00 s时电流总谐波畸变 率To t al Harmo n i c Di st o rt i o n , THD为 20. 46 , 1. 00〜1. 02 s 时电流 THD 为 13. 32 ；从图 6d 可看出,转矩脉动较大,0. 98〜1. 00 s时转矩脉动峰 峰值超过20 N・m,1. 00〜1. 02 s时转矩脉动峰峰 值接近40 N・m；从图6e可看出，上下直流母线 电容电压均在270 V直流母线电压的1/2附近波 动,达到上下直流母线电容电压平衡的目标。 采用脉冲序列预测控制的仿真结果如图7所 示。从图7a、图7b可看出，脉冲序列预测控制 能实现电流参考值的跟踪,与图6a、图6b相比, d, g轴电流纹波大大降低；从图7c 可看出，三相电 流正弦度较高,与图6c 相比,所含谐波成分大幅 减少，0. 98〜1. 00 s时电流THD为7. 69,1. 00〜 1. 02 s时电流THD为4. 82 ,电流THD分别减 小了约62. 4 , 63. 8 ,电流质量得到提升；从 图7d 可看出，0. 98〜1. 00 s时转矩脉动峰峰值小 于5 N・m,1. 00〜1. 02 s时转矩脉动峰峰值小于 6 N・m ,与图6d 相比,转矩脉动峰峰值分别减小 了 75,85 ,转矩脉动得到有效抑制；从图7e可 2019年第5期张梅梅等三相四开关逆变器供电的永磁同步电动机脉冲序列预测控制・・83・ ・ 看出，上下直流母线电容电压均在270 V上下波动, 母 压平衡。 。 b i波形 o o o O o o o O 8 4 8 4 -4-4 V、烁曲奧 0.98 0.99 1.00 1.01 1.02 时间/s c 波 d 波 e 压波 图6单矢量预测控制仿真结果 Fi g .6 Si mu l at i o n resu l t so f si n g l evec t o rpred i c t i vec o n t ro l 4结语结语 提出了一种三相四开关逆变器供电的PMSM 脉冲序 制 。构造 类 3个电压 量的对称型 序列，利用 考值跟踪 成本函数 取优 序列 用优 C 序 考值跟踪目标 计 式, , 节 分量对 进行补偿,从而实 30---------------1---------------1---------------1---------------1 0.98 0.99 1.00 1.01 1.02 时间/s b “q 波 c 波 9898 o o o o O 0 0. o o o o O 0 0. 9 8 7 6 5 4 9 8 7 6 5 4 衆牌 d ■ 波形 Vc \ Vc 2 , e 压波形 图7脉冲序列预测控制仿真结果 Fi g . 7 Si mu l at i o n resu l t s o f pu l se seq u en c e p-ed i c t i vec o n t -o l 现直流母 压平衡。仿真结果表明，该方法 考值跟踪和母 压平衡，有效 减小了电流纹波和转矩脉动。 。 参考文献References [1 -吴翔，谭国俊，叶宗彬，等.三相电压源型逆变器的多 目标满意优化脉宽调制策略[J-.中国电机工程学报, 2016,3661674-1685. 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